基于前视声呐的AUV避障方法研究

发布时间：2020-07-07 14:07

【摘要】：避障问题是自主式水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,即AUV)研究过程中的关键课题。由于作业环境的未知、多变等特性,AUV难于预先获取其作业环境中的全部环境信息,因而无法使用基于先验信息的路径规划算法。随着研究的深入和技术指标的提升,AUV的作业环境和所要完成的任务日趋复杂,AUV势必朝向智能化发展,并具备对未知环境的适应能力和独立决策完成任务的能力。本文针对未知环境下的障碍物感知与3D重建、路径规划和AUV的避障等相关技术展开了研究。首先,建立避障系统中相关对象模型,包括AUV建模和机动障碍物运动建模。在大地坐标系和随体坐标系下,分析AUV受力情况,对AUV进行运动学建模和动力学建模。建立水下机动障碍物的典型运动模型,并给出其运动学方程,研究基于Sage-Husa自适应卡尔曼滤波的障碍物状态估计方法,设计机动障碍物运动状态估计实验,验证该运动状态估计方法的有效性。其次,针对前视声呐探测数据中障碍物高度未知的问题,提出双前视声呐探测方法并分析其原理,为验证该方法的可行性,设计双声呐探测实验,以栅格法和数学形态学方法处理声呐数据,对障碍物进行3D重建,验证该算法的可行性。再次,针对传统人工势场法(Artificial Potential Field,即APF)存在的三个问题进行分析和改进。阐述了快速扩展随机树法(Rapidly-exploring Random Tree,即RRT)的算法原理,对RRT算法中路径搜索的无导向性进行改进,实现了对RRT算法的优化。在APF算法中引入改进RRT算法,形成APF-RRT混合算法,解决了 APF算法中的局部极小值问题。设计复杂环境下的避障实验,验证混合算法的有效性。最后,搭建仿真平台,设计AUV的避障策略,将APF-RRT混合避障算法应用于AUV避障,设计AUV避障仿真实验,仿真结果证明,该混合算法可以指引AUV安全通过障碍物。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U674.941
【图文】：

在ＡＵＶ的研制方面，美国、英国、日本、挪威和法国等发达国家己经进行了多年逡逑工作，开发出多个系列的ＡＵＶ产品，力图加紧抢占深海开发领域的科研制高点。国内逡逑也己经有多家科研机构进行了相关研究。逡逑１．２．１国外研究现状逡逑美国在ＡＵＶ的研发方面起步最早、研究单位最多、技术水平最成熟、产品类型最逡逑齐全。主要研宄单位有：美国海军空间和海战系统中心、美国海军研究所、伍兹霍尔海逡逑洋研宄所、蒙特利湾海洋研宄所、金枪鱼机器人公司、麻省理工学院等。逡逑ＲＥＭＵＳ邋（Ｒｅｍｏｔｅ邋Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ邋Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ邋Ｕｎｉｔｓ）系列邋ＡＵＶ邋是由伍兹霍尔海洋研宄逡逑所下属海洋系统实验室（Ｏｃｅａｎｏｇｒａｐｈｉｃ邋Ｓｙｓｔｅｍｓ邋Ｌａｂ）开发的低成本ＡＵＶ，主要负责水逡逑文调查、生物跟踪、反水雷、港口安全作业、环境测量、海上搜救、水下测绘、科学取逡逑样和渔业作业等任务。逡逑２０１０年，ＲＥＭＵＳ邋６０００邋ＡＵＶ被用于法航４４７失事飞机搜索任务，共搜索了邋６０３６平逡逑方公里大西洋中脊区域海底，拍摄了邋８５０００个海底照片，成功确定了黑匣子所在区域？。逡逑

ｘ［ｍ］逦ｘ【ｍｌ逡逑图１．３邋（ａ）水平避障仿真实验结果逦图１．３邋（ｂ）垂直避障仿真实验结果逡逑蒙特利湾海洋研究所研制的Ｄｏｒａｄｏ系列ＡＵＶ直径５３．３ｃｍ，根据任务需求进行配逡逑置，最短２．４ｍ，最长６．４ｍ。第一个Ｄｏｒａｄｏ邋ＡＵＶ在２００１年年底完成，用来测量通过弗逡逑拉姆海峡流入北极盆地的水流量，并为后来的Ｄｏｒａｄｏ系列ＡＵＶ提供了模板。逡逑２０１２年，美国斯坦福大学的Ｓａｒａｈ邋Ｅ．Ｈｏｕｔｓ等人以Ｄｏｒａｄｏ邋ＡＵＶ为载体，研究了崎逡逑岖地形下基于地形匹配的避障算法，为证明算法的有效性，使用ＭＢＡＲＩ的测绘ＡＵＶ获逡逑取的测绘数据进行仿真实验，实验结果证明，该算法可实现崎岖地形下的地形跟随［１１】。逡逑ｕｐ．逦圆■丨丨丨１丨丨丨，■■丨，丨．．．．酬圆丨．．．．．，逡逑－６２５邋０逦５００邋０逦５７５．０逦ＺＳ０．０逦１２５０逦００逡逑图１．４邋（ａ）邋Ｄｏｒａｄｏ邋ＡＵＶ及其拍摄的图片逦图１．４邋（ｂ）地形跟随仿真实验结果逡逑Ｉｖｅｒ系列ＵＵＶ是美国Ｏｃｅａｎ邋Ｓｅｒｖｅｒ邋Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ公司开发的低成本微小型ＵＵＶ

逦圆■丨丨丨１丨丨丨，■■丨，丨．．．．酬圆丨．．．．．，逡逑－６２５邋０逦５００邋０逦５７５．０逦ＺＳ０．０逦１２５０逦００逡逑图１．４邋（ａ）邋Ｄｏｒａｄｏ邋ＡＵＶ及其拍摄的图片逦图１．４邋（ｂ）地形跟随仿真实验结果逡逑Ｉｖｅｒ系列ＵＵＶ是美国Ｏｃｅａｎ邋Ｓｅｒｖｅｒ邋Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ公司开发的低成本微小型ＵＵＶ，具逡逑有鱼雷型外形，续航能力约８小时，航行速度为ｌ－４ｋｎ。Ｉｖｅｒ系列ＵＵＶ可以作为在海洋逡逑环境中执行各种测量任务的平台，Ｉｖｅｒ邋３标准型ＡＵＶ在艏部搭载了邋Ｉｍａｇｅｎｅｘ邋８５２型前逡逑视声响用于避障。Ｉｍａｇｅｎｅｘ８５２型前视声卩内波束宽度２．５邋ｘ２２，最大探测距离５０ｍ，最逡逑３逡逑

【参考文献】

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本文编号：2745206